繁星客栈 - 李淼：理论物理中的五大问题

Jon Shock从出版商那里收到Lee Smolin的《The Trouble with Physics》，他看完后给我看。

我刚开始看，先看到Lee列出的理论物理中的五大问题。他的问题如下：

1. 将量子理论和广义相对论结合成一个自然界的完整理论。

2. 解决量子力学的基础问题，或是通过重新理解使得理论有意义，或者是重新发明一个理论。

3. 决定各种不同的粒子和相互作用是否是统一的。

4. 理解粒子物理标准模型中的自由参数是怎么被决定的。

5. 解释暗物质和暗能量。如果它们不存在，决定引力在大尺度上是如何被修改的。更广泛地，解释标准宇宙学模型中的参数为什么取这些值。

每个人心目中都有他自己的五大问题，Lee说出的应该是大家公认的五大问题，从这一点来看，Lee一点也不想与众不同。正如他自己在书中所说，他是一个不喜欢冲突的人。

我最近越来越成为一个务实派，认为真正的进展不是来自谁一下子解决了一个大问题，如上述的问题中的任何一个，而是来自于貌似补锅的工作。远的不说，只看过去一百年内的例子。Planck试图将Rayleigh-Jeans 公式和Wien公式结合成一个完整的定律发现了量子，Bohr为了解释Balmer公式发现了他的量子化规则。爱因斯坦的工作表面看起来有些象一下子提出大理论，或一下子解决大问题，其实他也是一步一步来的。狭义相对论的建立是在已经有了Lorentz的电子论和Poincare工作以后，广义相对论是爱因斯坦自己一步一步走出来的。所以，如果我需要列一个单子贴在我办公室的墙上，我的问题和Lee的问题会很不同。

我先评论一下Lee列出的五个问题，然后再列一下个人的五大问题。

1. 将量子理论和广义相对论结合成一个自然界的完整理论。

这个问题毫无疑问是中心问题。不论是弦论还是loop gravity，目前还不能声称解决了这个问题。在纯逻辑上来看，弦论在一定情况下“解决”了这个问题，如微扰论的发散问题。在某些情况下弦论甚至有了非微扰的实现，如AdS/CFT。弦论目前最大的问题，一是如何在没有超对称的情况实现，二是如何结合宇宙学。

量子引力还有一个非常实际的问题，就是如何在引力的量子涨落变得很重要的情况下找到一个可以计算的方案。黑洞的问题就是这样的一个问题。

Schwarzschild黑洞这个问题，不论是弦论还是loop gravity，都没有真正解决。

2. 解决量子力学的基础问题，或是通过重新理解使得理论有意义，或者是重新发明一个理论。

我不认为量子力学需要修改。如果量子力学在一个“realist”看起来很难理解，那也可能是我们没有真正理解可观测量的含义。例如，许多人觉得如果量子力学只能给出一个粒子在某个位置的几率，这个理论就是不完备的。我个人觉得，粒子这个概念在什么程度上是“reality”我们并没有理解。我举两个例子来说明我的观点。第一个是粒子的全同性，在量子力学中，这是一个假定，或者“原理”。在量子场论中，这是一个推论。我们在场论中假设了只有稳定的粒子才会在渐近态中出现，而渐近态之间的散射振幅才是可观测量。这导致我们无法定义相对局域的量，包括给定时间的一个粒子。这个例子已经说明我们对粒子这个所谓的“reality”并没有真正的理解，或者说，除了那个渐近态，没有更好的理解。第二个例子涉及到广义相对论。Unruh效应告诉我们，所谓粒子甚至事件这些概念，与观测者有关。

如果我们暂时没有“reality”对象，如何从一个realist的角度觉得量子力学是不完备的？也许我们还缺乏对量子力学的更加深刻的理解，但这种理解不会从量子力学本身中来，也不会从修改量子力学中来，而是将量子力学放在更大的框架中去理解后才会得到，例如，量子力学在量子引力中是如何实现的，量子力学如何用来实现量子宇宙学。

Feynman对量子力学的看法，还是最好的看法：I cannot define the real problem, therefore I suspect there’s no real problem, but I’m not sure there’s no real problem.

3. 决定各种不同的粒子和相互作用是否是统一的。

我个人觉得真正的决定权在实验家的手中。

4. 理解粒子物理标准模型中的自由参数是怎么被决定的。

这个问题与上一个问题有关。

5. 解释暗物质和暗能量。如果它们不存在，决定引力在大尺度上是如何被修改的。更广泛地，解释标准宇宙学模型中的参数为什么取这些值。

暗物质特别是暗能量的存在，告诉我们现在已经不能将所谓的基本理论独立于宇宙学之外了。暗能量是量子引力的一个最大的问题。过去我觉得黑洞熵之于量子引力如同黑体辐射之于量子论，现在我觉得暗能量才是量子引力的黑体辐射问题。

休息一下，晚上接着写。